Biologiczne suszenie osadów ściekowych i odpadów stałych w

Prosimy cytować jako: Inż. Ap. Chem. 2010, 49, 3, 121-122
INŻYNIERIA I APARATURA CHEMICZNA
Nr 3/2010
str. 121
Agnieszka ZAWADZKA, Liliana KRZYSTEK, Paweł STOLAREK, Stanisław LEDAKOWICZ
e-mail: [email protected]
Katedra Inżynierii Bioprocesowej, Wydział Inżynierii Procesowej i Ochrony Środowiska, Politechnika Łódzka, Łódź
Biologiczne suszenie osadów ściekowych i odpadów stałych
w reaktorze okresowym
Wstęp
Pozyskiwanie energii ukrytej w materiałach odpadowych przyczynia
się do zachowania zasobów naturalnych, obniżenia emisji metanu i ditlenku węgla oraz innych środowiskowych korzyści (obniżenie emisji
SO2, NOx, pyłów). Z tego też powodu, procesy biologiczne prowadzące
do produkcji odpadopochodnego paliwa, jak proces biosuszenia materii
organicznej, umożliwiający produkcję kompostu lub paliwa z odpadów,
cieszą się dużym zainteresowaniem. Autotermiczna degradacja materii
organicznej, gdzie doprowadzone powietrze rozpoczyna aerobowy rozkład, który generuje wystarczającą ilość ciepła do jej podsuszenia, jest
opcją szczególnie interesującą z punktu widzenia kosztów. Biologiczne
suszenie powoduje ubytek wilgoci, jednocześnie zachowując wartość
kaloryczną otrzymanego stałego „paliwa”. Odpady ogrzewają się same
w wyniku rozkładu łatwodegradowalnej części substancji organicznych.
Prowadzi to do zmniejszenia zawartości wilgoci oraz zaniku rozkładu
biologicznego, w wyniku czego powstaje stabilne, nadające się do składowania paliwo [1–3].
Celem niniejszej pracy były badania procesów biologicznego suszenia mieszaniny osadów ściekowych i organicznej frakcji stałych odpadów komunalnych w różnych warunkach procesowych tak, aby otrzymać paliwo stałe o dobrej zawartości energii.
ninę organicznej frakcji miejskich odpadów stałych, roślinny materiał
strukturalny oraz odwodniony osad ściekowy w ilości: 1 kg – proces 3
i 2 kg proces – 4.
W procesie 1, w którym zawartość początkowa wilgoci wynosi-1
ła 860 g·kg , otrzymano zawartość końcową wilgoci na poziomie
-1
479 g·kg . W procesie 2 uzyskano najniższą zawartość wilgoci koń-1
-1
cowej – 395 g·kg , przy zawartości początkowej wilgoci 848 g·kg .
W procesie 3 stwierdzono najwyższą zawartość wilgoci końcowej
-1
-1
(510 g·kg , zawartość początkowa 813 g·kg ), natomiast w procesie
4 uzyskano końcową zawartość wilgoci na zbliżonym poziomie jak
-1
-1
w procesie 1 – 413 g·kg (zawartość początkowa wilgoci 850 g·kg ).
Najwyższe usunięcie wilgoci (53,4 oraz 51,4%) stwierdzono dla procesu 2 i 4, najniższe dla procesu 3 (37,3%).
Rys. 1 i 2 przedstawiają zmiany temperatury w warstwie górnej i dolnej masy odpadów dla procesów 1–4. W przeprowadzonych procesach
biologicznego suszenia najwyższą temperaturę masy odpadów uzyskao
o
no w procesie 1 – ok. 43 C, natomiast najniższą w procesie 4 – 33 C.
Materiały i metody
Badania doświadczalne przeprowadzono w poziomym reaktorze o pojemności 240 dm3, zaizolowanym pianką poliuretanową, aby zapobiec
stratom ciepła. Odpady, w ilości ok. 20 kg umieszczano na perforowanej płycie, w której znajdowały się otwory (sumaryczna powierzchnia
przekroju otworów 0,76⋅10-2 m2). Reaktor był wyposażony w czujniki
temperatury masy odpadów w warstwie górnej i dolnej, temperatury powietrza w reaktorze nad masą odpadów oraz temperatury i wilgotności
powietrza wlotowego i wylotowego.
W badaniach wykorzystano organiczną frakcję stałych odpadów komunalnych (wysegregowaną na sitach o oczkach 20/80 mm w Sortowni Odpadów Komunalnych w Łodzi) oraz uwodniony osad ściekowy
(Oczyszczalnia Ścieków, Łódź) i odwodniony osad ściekowy (Oczyszczalnia Ścieków, Zgierz). Wilgotność początkowa masy odpadów kierowanych do reaktora wynosiła powyżej 800 g·kg-1.
Do suszonej masy odpadów doprowadzano powietrze za pomocą nagrzewnicy kanałowej i wentylatora kanałowego o wydajności
86,35 m3·h-1 i temperaturze 35oC przez 2–6 h tylko na początku procesu.
Wentylator wyciągowy o wydajności 27,34 m3·h-1 użyto do usuwania
wilgotnego powietrza. Czas pracy wentylatora wyciągowego kontrolowano automatycznie w zależności od temperatury kompostowanych
odpadów.
Rys. 1. Zmiany temperatury w warstwie górnej i dolnej suszonej biomasy dla
procesów 1 i 2
Wyniki i dyskusja
W pracy przeprowadzono cztery serie badawcze, dla różnych ilości doprowadzanego ciepłego powietrza (w procesie nr 1 – 99,78 m3;
w procesie nr 2 – 51,40 m3; w procesie nr 3 – 22,86 m3; w procesie
nr 4 – 55,20 m3). W procesie 1 i 2 wykorzystano mieszaninę organicznej frakcji miejskich odpadów stałych, roślinny materiał strukturalny
i uwodniony osad ściekowy w ilości: proces 1 – 1,49 kg; proces 2 – 0,94
kg, natomiast w procesie 3 i 4 jako substrat wykorzystano także miesza-
Rys. 2. Zmiany temperatury w warstwie górnej i dolnej suszonej biomasy dla
procesów 3 i 4
Prosimy cytować jako: Inż. Ap. Chem. 2010, 49, 3, 121-122
INŻYNIERIA I APARATURA CHEMICZNA
str. 122
Charakter zmian temperatury górnej i dolnej warstwy suszonej masy
odpadów był zbliżony. Najwyższą temperaturę suszonej masy odpadów
w procesie 1 stwierdzono w 9 dobie procesu, w procesach 2 i 3-6 dnia
procesu, a w czwartym – 7 dnia procesu.
Na podstawie mierzonych parametrów takich jak: początkowa i końcowa masa suszonej masy odpadów, początkowa i końcowa zawartość
wilgoci w odpadach, ilość doprowadzonego powietrza do masy odpadów oraz temperatura i wilgotność powietrza wlotowego i wylotowego,
sporządzono bilans energii i obliczono ciepło biologiczne produkowane
w wyniku egzotermicznej aktywności metabolicznej drobnoustrojów
obecnych w masie odpadów (Tab. 1 i 2).
Tab. 1. Rezultaty procesu biosuszenia dla procesów 1 i 2
Parametr
Proces
1
2
Początkowa masa wody [kg]
17,71
17,05
Woda odparowana [kg]
13,39
14,01
Entalpia na wlocie [kJ/kg]
37,71
36,11
Entalpia na wylocie[kJ/kg]
49,67
48,07
Ciepło na wlocie [kJ]
9254,94
93708,26
Ciepło na wylocie [kJ]
121884,10
124767,0
Ciepło odprowadzone z powietrzem
odlotowym [kJ]
29340,18
31058,71
Ciepło biologiczne [kJ/kg biomasy]
1424,28
1529,98
Ciepło biologiczne [kW/kg biomasy]
0,0011
0,0013
Ciepło biologiczne [W/m3 biomasy]
240
270
Wyznaczone wartości ciepła spalania i wartości opałowej wysuszonej
masy odpadów były następujące: proces 1 – 17,45 i 16,17 kJ/g; proces
2 – 14,79 i 13,51 kJ/g, proces 3 – 16,53 i 15,25 kJ/g, proces 4 – 15,18
i 13,89 kJ/g.
Uzyskany materiał po procesie biologicznego suszenia poddano procesowi pirolizy i zgazowania w Instytucie Energetyki w Warszawie [4].
Tab. 3 przedstawia uzyskane wyniki.
Tab. 3. Skład produktu zgazowania i wydajność składników produktu zgazowania
Skład produktu zgazowania
[%mol]
Wydajność składników
[g/g karbonizatu]
Etan
0,13
0,002
Eten
0,13
0,002
Propan
0,06
0,001
Produkt
Metan
1,34
0,013
Wodór
15,84
0,019
Tlenek węgla
82,37
1,337
Wysuszony materiał ulegał pirolizie w temperaturze 100oC-420oC
pod wpływem dostarczonego ciepła z wydzieleniem karbonizatu, gazu
oraz smoły. Głównymi składnikami gazu pirolitycznego był ditlenek
węgla, tlenek węgla, wodór i metan.
Karbonizat otrzymany w wyniku pirolizy, ulegał dalszej pirolizie
o
w temperaturze 420–800 C z wydzieleniem między innymi wodoru i metanu, a także reakcji allotermicznego zgazowania w obecności
ditlenku węgla z wydzieleniem tlenku węgla.
Podsumowanie
Tab. 2. Rezultaty procesu biosuszenia dla procesów 3 i 4
Parametr
Nr 3/2010
Proces
3
4
Początkowa masa wody [kg]
16,01
18,53
Woda odparowana [kg]
11,52
14,84
Entalpia na wlocie [kJ/kg]
47,09
54,47
Entalpia na wylocie[kJ/kg]
52,33
63,93
Ciepło na wlocie [kJ]
138068,90
176298,20
Ciepło na wylocie [kJ]
153417,10
206905,0
Ciepło odprowadzone z powietrzem
odlotowym [kJ]
15348,19
30606,83
Ciepło biologiczne [kJ/kg biomasy]
779,09
1403,98
Ciepło biologiczne [kW/kg biomasy]
0,0008
0,0011
Ciepło biologiczne [W/m3 biomasy]
170
250
W przeprowadzonych procesach najwyższą wartość ciepła biologicznego otrzymano dla procesu 2 z osadem uwodnionym (270 W/m3),
natomiast w procesie 3 z osadem odwodnionym wartość ciepła biologicznego była najniższa i wynosiła 170 W/m3. W procesach 2 i 4 uzyskano zbliżone wartości ciepła z procesów biologicznych na poziomie
240 W/m3 i 250 W/m3.
W przeprowadzonych procesach biologicznego suszenia uzyskano
ok. 50% usunięcie wilgoci. Autotermiczne suszenie materii organicznej
-1
o wysokiej zawartości wilgoci (ok. 850 g·kg ) umożliwiło otrzymanie
wysuszonego materiału o wartości opałowej ok. 14,7 kJ/g i cieple spalania ok. 16,0 kJ/g. Najwyższe wartości ciepła z procesów biologicznych:
3
270 i 250 w/m stwierdzono w procesach przy zawartości początkowej
-1
wilgoci ok. 840 g·kg oraz zbliżonej ilości doprowadzonego ciepłego
3
powietrza (ok. 50 m ). Uzyskane wyniki przeprowadzonych procesów
pirolizy i zgazowania pokazują, że otrzymany produkt końcowy jest dobrym biopaliwem.
LITERATURA
[1] M. Sugni, E. Calcatera, F. Adani: Bioresource Technology, 96, 1331 (2005).
[2] G. Tita, G. Viviani, D. Sabella: Eleventh International Waste Management
and Landfill Symposium, Cagliari, 1-5 October, Italy, Proceedings Sardinia,
1 (2007).
[3] F. Adani, D. Baido, E. Calcatera, P. Genevini: Bioresource Technology, 83,
174 (2002).
[4] J. Ilmurzyńska, A. Celińska: Badania laboratoryjne pirolizy i zgazowania dla
dostarczonego paliwa, Prace Instytutu Energetyki, Warszawa, 2009.